根據(jù)專家的研究：鋰離子電池短時間在低溫環(huán)境下使用,或者溫度不夠低的情況下，只會暫時影響鋰離子電池的電池容量,但不會造成永久傷害。但是假如長時間在低溫環(huán)境中使用,或者在-40℃超低溫環(huán)境中,鋰離子電池可能會被凍壞造成永久損害。

另外,在低溫情況下對鋰離子電池充電,會在電池陽極表面析出金屬鋰,而且這個過程不可逆。這樣就會對電池造成永久損害,降低電池的安全性。所以很多鋰離子電池設(shè)備會有保護(hù)裝置,使得在低溫情況下無法充電。

鋰離子電池的工作溫度是-20℃-60℃，采用特殊材料做的低溫鋰離子電池可以在-40℃高寒環(huán)境中放電。但是電壓和容量會降低，比如聚合物單節(jié)電芯充滿電是4.2V，把它放在-40℃環(huán)境中，電壓會迅速降到3.4V以下，低溫放電容量可以做到標(biāo)稱容量80%以上。低溫電池只得是在低溫環(huán)境中放電，但是也沖不了電。因為鋰離子電池材料特性，在低溫環(huán)境中充電會對電池造成嚴(yán)重的損害。鋰金屬是超低溫下高能可充電電池的理想負(fù)極，但與電解質(zhì)界面不穩(wěn)定。濃縮電解質(zhì)可以改善界面的穩(wěn)定性，但其粘度高，不利于鋰離子的遷移。本文設(shè)計共溶劑電解液以解決這一困境。研究人員通過在濃縮的乙酸乙酯（EA）基電解質(zhì)中添加電化學(xué)惰性二氯甲烷（DCM）作為稀釋劑，共溶劑電解質(zhì)顯示出-70℃下的高離子電導(dǎo)率（0.6mScm-1），低粘度（0.35Pas）和寬電化學(xué)窗口（0~4.85V）。

成果簡介

近日，密歇根州立大學(xué)的YueQi和復(fù)旦大學(xué)及浙江師范大學(xué)的夏永姚（共同通訊作者）在德國應(yīng)用化學(xué)上發(fā)表了題為利用共溶劑法實現(xiàn)-70℃下高能量可循環(huán)金屬鋰離子電池的工作。該工作通過在濃縮的乙酸乙酯（EA）基電解質(zhì)中添加電化學(xué)惰性二氯甲烷（DCM）作為稀釋劑，實現(xiàn)了在-70℃下能量密度178Wh/kg，功率密度2877W/kg的可循環(huán)金屬鋰離子電池。

研究亮點

1、研究了超低溫下（-70℃）超大功率密度（2877W/kg）可循環(huán)的金屬鋰離子電池

2、運用光譜分析和原子模擬的研究手段分析了共溶劑電解液的用途機理

圖文導(dǎo)讀

圖1電解液的表征(a)不同溫度下電解液的粘度（b）離子電導(dǎo)率溫度依賴性研究;（c）5m-1-4共溶劑電解質(zhì)的DSC;（d）在+25℃下在5m-1-4電解質(zhì)中在Cu箔上剝離/電鍍Li和（e）在+25℃下Li||Li對稱電池的電壓曲線演變。

如圖1a所示，粘度在-70oC時呈指數(shù)新增至1.1×105mPas，成為低溫充電電池運行的一大障礙。因此引入低粘度DCM作為稀釋劑以獲得5m-1-1,5m-1-4和5m-1-8共溶劑電解質(zhì)。正如在溫度依賴性離子電導(dǎo)率中所研究的那樣（圖1b），5m電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率在+25oC時為3mScm-1，與碳酸酯電解液相當(dāng)。從圖1c可以看出，5m-1-4電解液的凝固點低至-104.4℃，便于在超低溫下操作。圖1d中所示的Cu箔上的可逆Li電鍍/剝離行為表明其電化學(xué)相容性。5m-1-4電解液的Li||Li電池保持約100mV的極化循環(huán)超過450次，長循環(huán)性能優(yōu)異。

圖2（a）C=O鍵的FT-IR的光譜研究;（b）TFSI-陰離子中的S-N-S和EA分子中的C=O鍵的拉曼光譜;（c）在+25℃下，關(guān)于5m-1-4電解質(zhì)，拉曼位移為850-860cm-1的空間映射;圖示說明稀釋電解質(zhì)（d），濃縮電解質(zhì)（e）和共溶劑電解質(zhì)（f）的溶劑化結(jié)構(gòu)。

由圖2a,隨著鹽濃度的新增，1704cm-1處的峰強度增強。關(guān)于5mEA基電解質(zhì)和共溶劑電解質(zhì)，1704cm-1處的峰值占優(yōu)勢，這意味著大多數(shù)EA溶劑分子與Li+緊密溶劑化。拉曼光譜2b也印證了這一點。在5m-1-4電解質(zhì)中，EA分子的空間分布位于852~854cm-1處（圖2c），這表明了Li+配位EA的重要成分。關(guān)于低濃度電解質(zhì)（圖2d），高溶劑與鹽的摩爾比導(dǎo)致形成溶劑分離的離子對（SSIP）。隨著濃度的新增，游離EA的數(shù)量將減少，而Li+配位的EA分子將新增。同時，陽離子-陰離子（Li+-TFSI-）的結(jié)合將通過形成CIPs和AGGs而加強（圖2e）。正如先前分析的那樣，CIP和AGG的溶劑化結(jié)構(gòu)在引入惰性DCM（圖2f）后沒有變化，其既不溶解鹽也不破壞原始溶劑化結(jié)構(gòu)，形成具有共溶劑化結(jié)構(gòu)的局部高濃度電解質(zhì)。